一起發動機積炭清洗不當引發的搗缸事故分析

杭州愛卡汽車維修服務有限公司 李軍總

浙江工業職業技術學院 鄭堯軍

1 案由

某地發生一起奔馳C180L轎車發動機搗缸事故，車輛的基本信息如下：該車是2017年1月生產的，搭載274 910發動機，整車型號為BJ7164GL。根據維修檔案記錄，2019年11月3日，車主將該車送到某汽車修理廠進行保養，保養過程中更換了4個火花塞，做過氣路、油路清洗。11月11日，車主駕駛車輛出車庫時發生了發動機搗缸事故。因案情需要對該奔馳車發動機搗缸原因進行質量鑒定。

2 車輛發動機的現狀

（1）發動機上部外觀正常，外圍部件無破損情況。檢查空氣濾清器、節氣門體、中冷器、連接中冷器的進氣管等，均正常。

（2）拆解下發動機氣缸蓋，發現第1缸燃燒室積炭較多，進氣門邊緣有撞擊的痕跡（圖1）。其他3個缸良好。

圖1 第1缸進氣門邊緣有撞擊的痕跡

（3）檢查氣缸體，對比第4缸活塞發現第1缸活塞沒有在上止點位置，第1缸活塞頂部垂直于活塞銷方向已開裂。另外，第1缸活塞已逆時針旋轉了90°（圖2），活塞頂部有碰撞的痕跡，與進、排氣門上的痕跡能夠對應上。

圖2 第1缸活塞已逆時針旋轉了90°

（4）如圖3、圖4所示，測得第1缸氣缸壁上第1道氣環上止點工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離為6.5 mm，在氣缸壁朝前側，測得積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離為11.5 mm，第1道氣環上止點工作痕跡部分已被積炭覆蓋。測得第2、3、4缸氣缸壁上積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離均為6.5 mm，測得第1道氣環上止點工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離也為6.5 mm。

圖3 第1道氣環上止點工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離

圖4 積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離

（5）檢查發動機底部，發現發動機油底殼前端破損嚴重，機油泵集濾器表面干凈（圖5），無任何雜質。如圖6所示，發動機氣缸體左側有2個打破的洞，右側打破的洞比較長。

圖5 機油泵集濾器表面干凈

圖6 發動機氣缸體左、右側被打破

（6）拆檢各氣缸的連桿活塞（圖7），發現第1缸連桿在中間位置斷裂，活塞裙部部分碎裂。而第2、3、4缸連桿活塞均正常。檢查各缸連桿瓦，未發現連桿瓦存在異常磨損情況。此外，曲軸上的連桿軸頸和主軸頸表面也都正常。

圖7 拆檢各氣缸的連桿活塞

（7）將斷裂的第1缸連桿送專業實驗室進行檢驗。

1）斷口觀察。如圖8所示，連桿斷口上有放射狀條紋，裂紋源位于連桿一側表面處，未發現明顯的疲勞條紋，瞬斷區不平整，約占斷口橫截面的1/2。

圖8 連桿斷口

2）掃描電鏡檢查。由于連桿大頭側斷口與氣缸體多次擦碰并卡在了缸體上，故選擇連桿小頭側斷口處截取試樣進行掃描電鏡分析。掃描電鏡結果顯示連桿斷口裂紋源部位無疲勞輝紋，存在磨損現象（圖9）；連桿瞬斷區部位無疲勞特征，也存在磨損現象（圖10）。

圖9 連桿斷口裂紋源形貌

圖10 連桿斷口瞬斷區形貌

3）硬度及化學成分分析。對連桿的硬度及化學成分進行檢測，檢測結果見表1所列。

表1 連桿硬度及化學成分的檢測結果

3 技術分析

3.1 發動機搗缸原因分析

通過現場勘驗，可以判斷該車發動機受損是車輛行駛時，發動機第1缸連桿斷裂，打破左、右側氣缸體，造成曲軸卡死，進而導致發動機停止運轉。第2、3、4缸氣缸壁上的積炭痕跡均衡等高，積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離均為6.5 mm，與活塞火力岸的高度一致。而第1 缸氣缸壁朝前側的積炭痕跡位置明顯比其他缸低約5 mm，這說明第1缸活塞曾在低于上止點下方位置運行了一段時間。而產生這種現象的原因是，第1缸的連桿在斷裂前已經受到壓縮而發生了彎曲，連桿大、小頭之間的距離比正常狀態下縮短了約5 mm。

3.2 連桿彎曲變形的原因分析

通常，連桿發生彎曲變形有以下兩種情況：一是連桿受到了超過本身強度的極限壓力；二是連桿本身存在質量問題，在正常工作壓力下就產生了變形。

對斷裂的連桿進行檢測，連桿的硬度符合連桿圖零件說明要求，連桿的化學成分也符合牌號70MnVS4BY的要求。連桿斷口上有放射狀條紋，裂紋源位于連桿一側表面處，未見明顯的疲勞條紋；瞬斷區不平整，約占橫截面的1/2，這些說明連桿不存在高周疲勞且具有受到較大外力的特征。而且，如果是連桿本身質量問題，彎曲變形的過程應是漸進的、連續的，第1道氣環不會在氣缸壁上留下清晰的上止點工作痕跡。因此，第1缸連桿的彎曲變形可以排除連桿本身的質量問題所致。

現場勘驗發現，第1缸氣缸壁上第1道氣環上止點工作痕跡與氣缸體上平面之間的距離為6.5 mm，在氣缸壁朝前側，積炭下邊緣與氣缸體上平面之間的距離為11.5 mm，原第1道氣環上止點工作痕跡部分被積炭覆蓋。這說明第1缸的連桿在彎曲的狀況下運行時間不久，因此，只是在氣缸壁形成了積炭痕跡。若運行時間更長的話，還會在低于上止點的位置形成第1道氣環的工作痕跡。根據維修檔案記錄，2019年11月3日使用清洗套裝進行發動機氣路、油路清洗時的行駛里程為53 212 km，2019年11月11日發生搗缸時的行駛里程為53 375 km，期間只行駛了163 km，與上述分析相符，說明第1缸連桿彎曲變形是在這次保養過程中產生的。

根據提供的“發動機除炭施工指引”視頻，該套裝包含節氣門清潔劑、進氣系統清洗劑、噴油器清洗劑、燃燒室泡沫清洗劑、三元催化還原修復劑等5款產品。清洗進氣道時，需要在發動機怠速運轉時進行，使用專用設備將清洗劑從節氣門之前注入進氣系統。當調節不當時，就會有多余的甚至大量的清洗劑積聚在進氣歧管內。清洗三元催化轉化器時，由于持續時間較長，且清洗劑的補充量較小，發生上述情況的可能性較小。當清洗完畢后，需要將發動機轉速提升至3 000 r/min以上進行排煙。在怠速或低負荷運行時，進氣系統內的空氣流量較小，不會帶動積聚的清洗劑。當突然加大加速踏板時，空氣流量會迅速增加，氣流就會帶動積聚的清洗劑從進氣歧管進入氣缸內，在緊接著的壓縮行程中，進、排氣門同時關閉，由于液體是不可壓縮的，從而造成壓縮行程后期氣缸內的壓力異常升高，壓力升高值由液體量的多少和發動機轉速決定。當進入氣缸內的液體量達到一定值時，排煙時的發動機轉速較高，就會迫使連桿發生彎曲變形，但發動機還能夠持續運轉。

3.3 連桿斷裂原因分析

由于發動機第1缸連桿的變形量約為5 mm，變形后的第1缸壓縮比約為6.7（發動機的缸徑是83.0 mm，活塞行程73.7 mm，標準壓縮比為10.3），變形后這個氣缸仍能繼續工作，所以發動機運行時沒有明顯異常。但壓縮比降低后，燃燒溫度會有所降低，因此，第1缸活塞頂部和燃燒室內的積炭會比其他缸嚴重。車輛低負荷行駛時，氣缸內的燃燒壓力較低，連桿受到的壓力較小，連桿的損傷還不至于快速惡化。但當車輛急加速、大負荷行駛時，發動機轉矩輸出接近額定轉矩，這時氣缸內的燃燒壓力非常高，連桿受到的壓力也會增加，原本已經變形受損的連桿在這種周期性的高壓力作用下，損傷會逐漸積累，最后發生斷裂，斷裂的連桿在高速運行中打破氣缸體，活塞在慣性作用下發生90°旋轉，在未到達上止點前停止運行。

綜上分析，可排除連桿本身質量問題導致連桿彎曲的可能性。連桿斷裂的原因應該是，在清洗發動機積炭時進氣歧管內存有較多的清洗劑積液，且在排煙過程中發動機轉速較高，導致活塞在壓縮行程時氣缸內壓力異常升高，第1缸連桿受到了超過本身強度的極限壓力而發生彎曲變形；在后續車輛使用過程中，變形受損的連桿在周期性高壓力作用下，損傷逐漸擴大直至發生斷裂，斷裂的連桿在高速運行時打破氣缸體（搗缸）。

4 事后建議

發動機積炭清洗過程中，尤其是在對進氣道的積炭清洗時，一定要注意操作的規范性，很多類似清洗積炭的事故發生往往與操作不當有關。比如清洗燃燒室，清洗后按規定必須使用內窺鏡檢查燃燒室內的殘留物情況，部分操作人員往往因為沒有內窺鏡或嫌內窺鏡使用麻煩，沒有對燃燒室進行檢查就去起動發動機，這往往會導致事故的發生。